花崗巖隧道物探異常區巖體特性研究

張曉宇

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 地質路基處，陜西 西安 710043)

花崗巖隧道物探異常區巖體特性研究

張曉宇

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 地質路基處，陜西 西安 710043)

在長大隧道工程勘察中，物探異常區往往是關注的重點。本文以八坊花崗巖隧道為例，首先應用高密度電法開展地球物理勘察，然后在隧道洞身低阻異常區布置勘探孔，并在孔內進行了綜合測井及抽水試驗。結果顯示:物探異常區花崗巖電阻率低，巖石聲波波速低，滲透系數大，巖體成砂土狀，為全風化花崗巖。在勘察成果的基礎上，預測了隧道可能發生的工程地質災害類型及段落，以減少隧道施工的風險。

隧道工程 物探異常區 電阻率 花崗巖

地球物理勘探是以地殼表部巖、土的物理性質的差異為基礎，用儀器探測地下天然的物理場變化。被測巖體與周邊圍巖的電阻率、波速、溫度、自然電位等存在明顯差異處稱為物探異常區，異常區通常存在于斷層帶、巖性接觸帶、巖溶區、基巖面、風化層、裂隙及地下水發育區。在隧道工程地質勘察中物探異常區往往是關注的重點。

姜賢斌等［1］在杭寧鐵路某隧道中應用高密度電法發現視電阻率呈不連續現象，存在低阻異常，并推測該異常區為斷裂構造與巖性接觸帶。李志華等［2］在石太客運專線太行山特長隧道勘察中，應用綜合物探查出各類異常73處，為確定不良地質體、富水區及鉆探的位置提供了依據。劉劍飛［3］應用高密度電法、大地電磁法對西南某長大深埋隧道進行了大范圍勘察，先根據低阻異常區推測了隧道區斷層影響帶，然后采用電測深確定了斷層面寬度、產狀，并通過鉆探得到了驗證。張舉賢［4］認為物探是一種間接的勘探手段，是通過地質體的物理特性反應地質體的工程特性，數據采集受地形、地質、物性不均等多種自然因素的影響，因此物探成果做出的地質推斷需要其它直接手段如地質調繪、鉆探等驗證，以了解其真實的地質內涵。譚遠發等［5］在長大隧道勘察中應用高密度電法，根據獲得的地下介質電阻率的分布情況，了解隧道圍巖的性質和分布范圍，推測了斷層構造和巖溶構造的空間分布及其發育特征等。

從以上研究中不難發現，物探異常區一般為斷層帶、巖性接觸帶、富水帶等，結合地質調查結果，在重要的異常地段進行鉆探驗證及孔內測試，對獲取隧道工程的圍巖性質意義重大。本文以廣西資興高速公路越嶺八坊隧道為例，通過野外地質調查發現隧道洞身的花崗巖差異風化嚴重，采用高密度電法開展物探工作，在低阻異常區布置適當鉆探，同時在孔內進行了綜合測井及抽水試驗工作，以獲取圍巖的物理力學及滲透性參數，準確劃分圍巖級別，合理確定隧道涌水量。

1 八坊隧道地質概況

八坊隧道位于廣西省資源縣，為資(資源)興(興安)高速公路控制性工程，長2 370 m。該隧道位于桂北低山地區，地形起伏大，植被茂密，海拔高程520～820 m，相對高差約300 m，隧道最大埋深約280 m。加里東期花崗巖分布于整個隧道地區，花崗巖為灰黃色、肉紅色，粗粒結構，塊狀構造，節理裂隙發育，差異風化嚴重，巖體性質差別極大，局部全風化花崗巖厚度達25～45 m，除表層分布有全風化層外，局部深埋地段亦分布有花崗巖風化層。

隧道區年平均降雨量大，地表水發育。地下水主要賦存花崗巖風化帶孔隙裂隙中，由于隧道區花崗巖差異風化嚴重，局部風化層呈砂土狀、碎塊狀，孔隙裂隙發育，滲透性好，為地下水形成了良好的儲水空間，隧道在局部地段形成富水區。

2 高密度電法勘察

2.1 測線布置

高密度電法是綜合物探的有效方法之一，是以巖土體的電性差異為基礎的一種物探方法，其原理與普

通電阻率法相同，具有點距小、數據采集密度大、能較直觀地反映基巖界線、地質構造、以及圍巖中異常體的發育情況等。八坊隧道高密度電法使用儀器為E60BN直流電法儀，采用10 m電極距，溫納裝置采集，整個隧道布置了1個高密度電法縱斷面，起止里程K57+370—K59+960，2個補充剖面 AA'，BB'，其中AA'剖面與線路平行，BB'剖面與線路垂直，總計完成3條測線，長5 480 m。八坊隧道物探測線平面布置見圖1。

2.2 勘察結果與分析

圖2為八坊隧道越嶺地段K58+200—K59+400電阻率縱斷面圖。從圖中可見，隧道洞身K58+200—K58+610電阻率為5 000～15 000 Ω·m，為高阻花崗巖，巖體完整;K58+610—K59+048電阻率為500～2 000 Ω·m，為低阻花崗巖，巖體極破碎;K59+048—K59+400電阻率為5 000～10 000 Ω·m，為高阻花崗巖，巖體較完整。一般來說，電阻率值越低，節理裂隙越發育，巖體越破碎。

圖1 八坊隧道物探測線平面布置

圖2 八坊隧道K58+200—K59+400電阻率縱斷面(單位:Ω·m)

為了進一步確定八坊隧道嶺南地區低阻區的范圍，在K58+800—K59+240左側50 m，布置了一條平行于隧道洞身的剖面AA'(圖3(a))以及在K58+970附近布置了垂直隧道洞身的剖面BB'(圖3(b))。從圖3(a)可以發現，測點240～310之間為低阻區，電阻率為500～2 000 Ω·m，對應的里程為K58+920—K59 +040，整個斷面的電阻率大多小于5 000 Ω·m，屬于中～低阻花崗巖，與圖2電阻率縱斷面圖一致。從圖3(b)可以發現，測點120～320之間電祖率為 500～2 000 Ω·m，為低阻花崗巖，對應的里程為K58+940—K59+020。

通過以上分析可推測，八坊隧道嶺南地區K58+ 610—K59+040段埋深為80～260 m，該段花崗巖為低阻花崗巖，節理裂隙極發育，巖體極破碎，局部可能存在全風化花崗巖，地下水富集，有突涌水、涌沙的可能。

圖3 八坊隧道AA'，BB'剖面電阻率(單位:Ω·m)

3 勘探及孔內試驗成果

工程地質鉆探是最直接的勘察方法，一方面可以準確提供設計所需的各項巖土物理力學指標，另一方面也可驗證物探和工程地質調繪結果［5］，同時也可為后續綜合測井、水文試驗提供條件。

八坊隧道在物探異常區K58+954.5左20 m及K59+081右23 m布置2個勘探孔。GXDZ-880孔深130 m，0～13 m為全風化花崗巖;13～34 m為強風化花崗巖;34.0～100.3 m為中風化花崗巖;100～108 m為砂土狀全風化花崗巖;108～130 m為中風化花崗巖，該孔在隧道洞身處存在風化層。GXDZ-881孔深85 m，0～6.5 m為全風化花崗巖，6.5～8.0 m為強風化花崗巖，8.0～85 m為中風化花崗巖。該孔在隧道洞身處巖體較完整。

通過對GXDZ-880鉆孔綜合測井成果分析，該孔地層巖性可劃分為5個巖性段:

1)66.0～76.2 m花崗巖電阻率較高，平均為3 703 Ω·m，巖石聲波縱波速度高，平均為4.84 km/s，巖體完整。

2)76.2～90.8 m花崗巖電阻率較低，平均為3 385 Ω·m，巖石聲波縱波速度較高，平均4.55 km/s，起伏變化較大，該段巖石裂隙比較發育，巖體較為完整。

3)90.8～100 m花崗巖電阻率較低，平均1 650 Ω·m，巖石聲波縱波速度略高，平均為4.25 km/s，該段巖石裂隙較發育，巖體較破碎。

4)100～108 m為花崗巖風化體，本段巖石電阻率低，平均為277 Ω·m，巖石聲波縱波速度較低，平均為2.38 km/s，巖體極破碎。

5)108～130 m花崗巖電阻率較低，平均360 Ω·m，巖石裂隙較發育，巖體破碎。

GXDZ-880孔內綜合測井成果表明該鉆孔在80.0～81.5 m，85.4～86.4 m，100～108 m自然電位、電阻率和井溫均出現較為明顯的異常，顯示為含水段落。

GXDZ-880，GXDZ-881抽水試驗結果表明，花崗巖體的滲透性與其風化程度密切相關。鉆孔GXDZ-880由于存在多處含水段，且100～108 m段為全風化花崗巖，地下水主要為花崗巖風化裂隙水，巖體滲透系數達到了1.8 m/d。鉆孔GXDZ-881主要為中風化花崗巖，地下水類型為基巖裂隙水，滲透系數僅為0.026 m/d。

4 成果應用

4.1 花崗巖風化特征

勘探結果表明，該隧道物探異常區的花崗巖存在明顯的電阻率低、縱波波速低、滲透性好的特點，花崗巖差異風化不僅存在于表層，在巖體深部亦存在砂土狀全風化花崗巖。

4.2 圍巖級別劃分及水量預測

綜合物探異常形態、視電阻率及其梯度值大小，可

以對低阻異常進行分類，并確定相應的圍巖級別。八坊隧道綜合勘察獲取了不同地段花崗巖體的力學參數，結合物探電阻率成果，對圍巖進行了劃分。花崗巖體電阻率 ＞2 000 Ω·m，圍巖為Ⅲ級;電阻率 500～2 000 Ω·m，圍巖以Ⅳ級為主;電阻率為100～500 Ω·m，圍巖為Ⅴ級。主要分段情況見表1。

表1 八坊隧道K58+200—K59+400圍巖劃分及水量預測

根據八坊隧道水文地質條件、勘探獲取的花崗巖體滲透系數及圍巖級別，應用降雨入滲系數法和地下水動力學法對該段隧道涌水量進行了預測。預測結果見表1，其中K58+610—K59+048洞身花崗巖地層電阻率低、巖體破碎，為全風化花崗巖，滲透性好，為強富水段落，施工中存在突水、突泥及涌砂的可能。是該隧道工程高風險地段。

5 結論

1)八坊隧道巖性以花崗巖為主，高密度電法物探結果顯示隧道在K58+610—K59+048電阻率為500～2 000 Ω·m，為低阻花崗巖，物探異常區結果表明K58+610—K59+048隧道洞身附近(埋深100～108 m)為砂土狀全風化花崗巖。GXDZ-880孔內綜合測試表明在埋深100～108 m處巖體電阻率低，平均277 Ω·m，巖石聲波縱波速度低，平均2.38 km/s，巖體極破碎，呈全風化狀。GXDZ-880抽水試驗涌水量大，全風化巖體滲透系數為1.8 m/d。各種勘探方法相互驗證，取得了良好效果。

2)八坊隧道勘探成果表明，花崗巖差異風化不僅僅存在于地表巖體，受多種因素影響，在巖體深部亦有可能存在花崗巖球狀風化，其風化程度與礦物成分有密切關系，而這種風化體對隧道工程的影響極大，不僅巖體破碎，圍巖級別低，而且富水。

3)八坊隧道綜合勘探工作，確定了不同地段花崗巖巖體物理力學性質，明確了花崗巖體物探異常地段的風化特征，獲取了不同風化特征花崗巖體的滲透系數，很好地指導了圍巖級別劃分及水量預測，預測了該隧道可能發生的工程地質災害，從而減少了隧道施工風險。

［1］姜賢斌，都彤宇.淺層地震折射波法與高密度電法在隧道工程勘察中的應用［J］.中國水運，2008，12(8):209-211.

［2］李志華，趙建峰.石太客運專線特長太行山隧道綜合物探研究［J］.鐵道工程學報，2011，10(10):78-83.

［3］劉劍飛.西南地區長大深埋隧道綜合物探的應用研究［J］.鐵道建筑技術，2011(增):125-129.

［4］張舉賢.淺談長大深埋隧道工程地質勘察中地質對物探的配合［J］.鐵道工程學報，2006，3(3):17-20.

［5］譚遠發.長大深埋隧道工程地質綜合勘察技術應用研究［J］.鐵道工程學報，2012，4(4):24-31.

(責任審編 葛全紅)

U456

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.21

2015-04-10;

:2015-07-20

張曉宇(1982— )，男，陜西大荔人，高級工程師，工學碩士。

1003-1995(2015)09-0070-04